双头管封装光纤Bragg光栅低温传感试验研究

杨才千，文 峰，周 正，杨 宁，姚 远，李 帅

（1．东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096；2．湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；3．山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264670）

引言

航天载人飞行器等装置普遍在低温、强辐射等恶劣的环境下服役。其中，航天器在低温环境下的温度传感精度和适用性的需求随之提高。光纤布拉格光栅（FBG）表现出高精度、响应速度快、抗电磁干扰、体积小、重量轻等特点，同时具有良好的温度适用性及应变敏感性等优点。因此，光纤光栅传感器类新型传感技术在该领域具有潜在的应用前景。

然而，近年的研究与应用过程中可以发现，传统无封装FBG元件存在易受外界因素扰动、抗弯性能差、易折断等不足。同时，Reid等[1]发现裸FBG的波长与温度（4.2～350 K）之间呈非线性关系。张红洁等[2]发现无涂覆层FBG在液氦和液氮沸点过渡区间（50～77 K）波长偏移量呈现显著波动特征。因此，对于该类光纤光栅合理有效的封装，是提高其稳定性及可靠性关键课题之一。常见的光纤光栅封装形式有基片式、管式及其组合形式等[3]。其中，管式封装是通过各种形式将光纤光栅用粘胶剂固定在金属管内，利用金属管良好的强度及刚度实现对FBG的保护作用，防止外部荷载及作用出现断裂。因此管式封装可有效提高温度传感器耐久性及可靠性。甘望等[4]提出了双头管式封装概念，发现在313～353 K内波长与温度呈现良好的线性关系。但双头管式封装传感器在特殊极端低温下传感特性及可行性探究尚不充分。

因此，本文设计并改进了一种FBG双头管式封装结构的低温传感器。利用液氮提供低温环境（77 ～273 K），探究其在低温环境下中心波长变化规律及其灵敏度。同时，进一步研究涂覆层、封装长度对FBG的波长变化量影响规律。所提出的改进方法及封装方式为低温监测领域光纤光栅类传感器应用提供一定参考。

1 传感器的设计及工作原理

1.1 FBG 传感原理

光纤布拉格光栅是利用光纤材料光敏性在纤芯形成空间相位光栅，属于一种反射型光纤传感器，仅反射某个特定波长附近的窄带光波，布拉格反射条件微分表达式为[5]

式中： λB为反射光谱中心波长；neff为纤芯平均有效折射率；Λ为光栅周期[6]；当FBG所处位置的应变场或温度场变化时，反射光谱中心波长会随之改变。

当FBG仅受应力作用时， Λ 、neff与栅区所受应变ε关系分别为

式中Pe为光纤弹光系数。

当FBG仅受温度作用时， Λ 、neff与温度T的关系分别为

式中： α1为纤芯热膨胀系数； ξ 为热光系数。

由于FBG对温度和应变之间存在关联性。即使仅存在温度场变化条件下的波长漂移，测试结果仍为其共同作用下的合漂移量[7]。当光纤光栅传感器同时受温度与应变作用时，反射光谱中心波长漂移量 Δ λB与应变 Δ ε 和温度变化 ΔT之间的关系为

当温度发生变化时，封装材料的热膨胀系数α 及温度应变 Δ ε 表示为

式中L为封装材料的初始长度。

当采用双头管式进行封装时，FBG会因为封装材料、封装长度等因素出现温度和应变相互关联现象。将式（7）和式（8）代入式（6），可得到波长漂移量 Δ λB为

由式（9）可以发现，FBG的波长变化量 ΔλB与L成正比关系，通过增加L能够有效地提高FBG波长漂移量和传感器的灵敏度。

1.2 传感器构造形式

对于材料相同的套管，管壁越薄时热量传导路径越短，则传感器的响应速度和精度更为准确[8]。本文采用如图1所示双头管式封装结构。该结构为毛细管式封装，具有响应速度较快和测温精度较高等优点。采用热膨胀系数较大的材质304不锈钢做套管能够有效地增加光栅波长漂移量[9]。套管外径、内径和长度分别为3 mm、0.5 mm及30 mm。两端设置直径2 mm、深度为5 mm圆孔。同时，传感器两侧采用EPOTEK 301-2胶黏剂进行固定。该类型胶黏剂化学性能、电绝缘性、耐水性、耐腐蚀性稳定，同时在低温下具有良好的粘结力。

图1 双头管封装低温传感器结构Fig. 1 The structure of a low-temperature sensor in a double-head tube package

一般而言，具有涂覆层的FBG温度灵敏度普遍优于无涂覆层FBG[10]。但在低温条件下，涂覆层和光纤热膨胀应变不协调将导致光栅区应变分布不均匀，从而引起FBG反射光谱的啁啾现象[11]。因此，采用带涂覆层FBG应避免啁啾现象。与此同时，传感器的两端光纤延伸处依次采用四氟管与不锈钢铠装进行嵌套包裹。这不仅能提高光纤在腐蚀介质中耐久性能，而且可以降低光纤因剪应力导致的断裂失效。同时，铠装能保证光纤时刻处于松弛应力状态，降低外界应力场引起变形响应。

1.3 试验方案

该试验采用液氮提供低温环境（77～273 K）。试验测试及采集装置如图2所示，包括：电脑、液氮储存罐、温度计T10R-PT、保温桶、光纤解调仪Si255。

图2 低温测试装置图Fig. 2 Low temperature test device

试验流程如下：1）将液氮从液氮储存罐迅速注入保温桶底部，降低测试环境温度，当温度发生变化时，FBG栅区的改变引起波长漂移现象；2）通过连接传感器的波长解调仪（Si255）检测传感器中FBG的中心波长，记录FBG中心波长与温度的关系。值得注意的是，由于液氮环境降温过程热交换过快、无法恒定控温，因此仅记录升温的阶段传感监测数据，测试范围为77～273 K，每2 K记录一次中心波长与温度。

2 试验结果分析

2.1 涂覆层材料

FBG的涂覆层热膨胀系数α的大小在一定程度上能改变其传感效果，因此需研究涂覆层对FBG的温度传感效果的影响。无涂覆层FBG主要成分为石英，直径约为15 ～50 μm，在实验当中极其脆弱，极易损坏。试验引用付荣等所测试的无涂覆层的裸光纤Bragg光栅[12]（热膨胀系数 α =0.44×10-6）为空白组。选取两种涂覆层材料高折射率丙烯酸酯(PDDA)（ α =90×10-6）与聚酰亚胺(PI) （ α =20×10-6）进行对照。试验设计对照组详见表1。

表1 涂覆层及封装形式Tab. 1 Coating and packaging schemes

表1中K为FBG温度传感灵敏度系数即波长漂移量-温度曲线的斜率，R2为温度-波长漂移量曲线与线性拟合曲线的相关系数，R2值越接近1，表面曲线线性相关性越强。由表1可知，无涂覆层裸光纤(FBG1)和聚酰亚胺（PI）组灵敏度系数K仅为4.9 pm/K和6.8 pm/K。与此同时，高折丙烯酸酸酯灵敏度系数K可达19.3 pm/K，为裸光纤的394%。

图3（a）为77～273K范围内温度-波长漂移量曲线，截取图3（a）中77～123K 范围内曲线作为图3（b）以便观察。结合图3（a）不能看出，在升温过程中，涂覆层材料能够极大的影响FBG的传感效果，随着涂覆层材料的热膨胀系数增加，FBG的灵敏度随之增加。PDDA涂覆层能显著放大光纤（α= 0.44×10-6）热膨胀效应，表现出更显著的增敏效果。

图3 各组传感器温度 - 波长漂移量图Fig. 3 Temperature wavelength drift diagram of each group of sensors

2.2 封装影响

为了探究双头管式封装对FBG传感灵敏度的影响，本文对PDDA涂覆层光纤采用双头管进行封装，其封装长度为5 cm。对比FBG2及LT-FBG2可以发现，双头管封装会略微降低传感器灵敏度。这是由于封装管和粘结剂（EPOTEK 301-2）材料的热膨胀系数（17.2×10-6及180×10-6）远低于FBG2采用的PDDA涂覆层的（250×10-6）。然而，从图3（b）可以发现，无封装FBG2、FBG3中心波长在77 ～103 K温区内对液氮沸腾引起的扰动较为敏感，存在突变区域。因此，虽然裸光纤具有较高线性程度和灵敏度系数，但对于可能存在扰动的使用环境（如沸腾，振动等）适用性相对有限。试验结果可以证明，封装后的低温传感器能同时保证FBG具有一定抵抗扰动能力及相对较高的灵敏度及线性度。

2.3 封装长度对比

为了验证封装长度对中心波长的影响规律，本试验采用PDDA涂覆层光纤（FBG2）为基准，分别采用3 cm、5 cm封装长度探究其对FBG波长的影响规律，其测试结果如图4所示。

图4 封装长度为3 cm、5 cm时温度-波长漂移量图Fig. 4 Temperature wavelength drift diagram when the package length is 3 cm and 5 cm

从图4可以发现，随着封装长度的提高，FBG温度传感灵敏度系数得到有效提升。其中，5 cm封装的波长偏移量和线性相关性基本接近未封装FBG2。因此，采用双头管式结构封装FBG传感器时，应适当提高封装长度，从而改善封装管与内置光纤的变形协调能力。与式（9）给出理论表达式在趋势上吻合。

2.4 传感器灵敏度分析

在实际的工程应用中，多次平行测试的精度与灵敏度是评价传感器稳定性及可靠性重要依据。为了进一步探究双头管式封装传感器低温环境下传感精度和灵敏度，选取优化后5 cm封装长度传感器开展三次重复试验验证，其测试及拟合结果如图5所示。

图5 三次重复测试结果Fig. 5 The results of three repeated tests

图5为三次重复测试结果，其中（a）为温度与中心波长、灵敏度曲线，（b）为重复性误差。从图5可以发现，低温传感器中心波长在77～273 K温区内呈现良好的线性和一致性。灵敏度系数K随着温度升高而升高，可达14～20 pm/K，远高于传统传感器灵敏度（10 pm/K）[13]。而低温传感器在100 K时，测试得到绝对误差在-2.7 K，而相对误差仅为1.38%。表明本文采用的封装形式具有较高灵敏度系数，同时具有良好的可重复性和稳定性。

3 结 论

本文对传统FBG双头管式封装结构进行了改进，通过重复性试验研究并校准了双头管式传感器的低温传感特性，主要结论如下：

1）合理的涂覆层材料对于传感器的传感灵敏度和精度有显著的影响，随着涂覆层材料的热膨胀系数增加，FBG的灵敏度随之增加，高热膨胀系数的高折丙烯酸酯涂覆层能有效提高FBG灵敏度；

2）双头管封装可有效解决无封装裸FBG由于截面刚度较小产生的易受扰动特性，封装后FBG的中心波长与温度呈现高线性关系，且灵敏度系数随封装长度的提高而上升；

3）重复检验试验结果表明，双头管式封装FBG低温传感器灵敏度可达14～20 pm/K，绝对重复性误差在±2.7 K之内，相对误差1.3%，其测试误差和灵敏度可优于传统FBG低温传感器。